• Fisica Sperimentale e
Applicazioni Didattiche
Il metodo scientifico
L'elemento centrale del metodo e' rappresentato dall’esperimento.
A questo si arriva partendo dall’osservazione di un dato fenomeno naturale e dalla successiva elaborazione di quanto osservato.
Questa elaborazione puo' consistere o in un tentativo di classificazione o nel tentativo di individuare i parametri che hanno un ruolo importante nel fenomeno stesso.
A titolo esemplificativo consideriamo la caduta dei gravi. Si inizia osservando che
qualunque corpo non appoggiato a superfici vincolate alla terra cade. Successivamente si cerca di capire quali siano i parametri rilevanti effettuando varie prove con corpi ed altezze di caduta diversi. Si vede che i tempi di caduta possono dipendere da vari fattori, quali la forma del corpo, la sua massa, ecc.
Science is a horrible history of beatiful theories murdered by ugly facts
Il passo successivo e' quello di pensare ad uno o piu' esperimenti che ci permettano di isolare il comportamento del fenomeno rispetto a certe variabili piuttosto che ad altre.
Nella caduta dei gravi, il far cadere un foglio di carta, oppure lo stesso foglio accartocciato, mostra che la presenza dell’aria e' un fattore dal quale dipende il tempo di caduta.
Si progetta allora un esperimento in cui corpi di forma e massa diverse cadono all’interno di un tubo a vuoto o in cui l'effetto dell'aria puo' essere trascurato.
Questo ci permette di formulare una conseguenza teorica: tutti i gravi, nello stesso punto della terra e nel vuoto, cadono con la stessa accelerazione. Abbiamo cosi dato una interpretazione teorica, o abbiamo formulato un modello della caduta dei gravi in certe condizioni.
Un passo ulteriore e' nella ricerca di una teoria (o modello) piu' generale, cioe' che oltre a spiegare la caduta dei gravi, spieghi anche altri fenomeni. Nel caso in esame, una teoria piu' generale e' la teoria della gravitazione universale di Newton, della quale la caduta dei gravi e' un caso particolare.
E' importante sottolineare che non sempre viene seguita la strada sopra delineata. In alcuni casi puo' accadere (ed e' in effetti accaduto) che venga enunciata una teoria la cui elaborazione dia luogo a delle conseguenze che possono essere comparate con un esperimento disegnato esattamente per questo scopo.
Il metodo scientifico
Occorre anche comprendere quella che puo' sembrare una limitazione del metodo scientifico, ma che e' invece la sua grande forza. Il confronto tra osservazione e teorie avviene solo
attraverso loro elaborazioni piu' o meno sofisticate che finiscono in un esperimento da un lato e certe conseguenze della teoria dall’altro, che agiscono dunque come un filtro. Questo fatto fa si che una teoria fisica non possa mai essere considerata di validita' universale. Infatti esiste
sempre la possibilita' che un nuovo esperimento non sia in accordo con le predizioni della teoria considerata.
Ma questa 'e proprio la grande forza e vitalita' di questo metodo che contiene in se stesso la possibilita' di riparare ai difetti di una teoria, di accrescerla ed eventualmente creare una teoria piu' completa.
I progressi della fisica e delle altre scienze sperimentali sono proprio dovuti alla continua evoluzione degli esperimenti e la corrispondente espansione del campo delle teorie. Un ulteriore punto di grande importanza e' che le nuove teorie, dovendo spiegare sia i nuovi esperimenti che quelli gi`a spiegati dalle vecchie teorie, sono vincolate a contenere al proprio interno le vecchie teorie stesse (p. es. la teoria della relativita' ristretta "contiene"
la meccanica di Newton).
Distinzione fra cause dominanti e secondarie:
Trattando solo le cause dominanti si puo' sostituire al sistema fisico un
"modello", che percio' rappresenta la schematizzazione del fenomeno in
esameà il "modello" e'
un'idealizzazione matematica, eg. Il punto materiale
Il metodo scientifico si basa sulle osservazioni sperimentali che, associate
all'intuizione, servono a riconoscere gli elementi fondamentali e caratteristici di un fenomeno e a formulare ipotesi sulla
sua natura.
Il metodo scientifico consiste nel continuo alternarsi di osservazioni sperimentali e speculazioni teoriche.
La verita' scientifica non e ' mai assoluta, ma solo la migliore disponibile per la
descrizione del fenomeno
Il metodo sperimentale: …c’era una volta..
Galileo Galilei (1564 – 1642),osservando i corpi che cadono, si convince che tutti corpi, indipendentemente dal loro peso, cadono con la stessa velocità, e che tale velocità cresce in modo uniforme durante il tempo di caduta…..
Decide perciò di dimostrare la validità della sua idea (ipotesi) portando come prova risultati di esperimenti.
Ma la caduta di un corpo si dimostra troppo rapida per essere misurata durante un esperimento……….
Così, Galileo, deve cercare un modo per semplificare il
problema…….
Il metodo sperimentale: un esempio
Che cos’è la Fisica?
Inventa, per questo, un esperimento più semplice: la “caduta” di un corpo lungo un piano inclinato….
In fondo - pensa Galileo - un “piano verticale” non è altro che un “piano molto inclinato” ed il comportamento di un corpo che scende lungo un piano inclinato deve osservare le stesse regole di un corpo che cade verticalmente………….
Causa dominante: forza di gravita' Cause secondarie: attriti, rotolamento
Il metodo sperimentale: … c’era una volta…
Con l’aiuto di un orologio ad acqua, appositamente costruito per questo esperimento, Galileo dimostra, attraverso misure di spazio e di tempo, che lo spazio percorso dalla sfera lungo il piano inclinato, cresce in modo direttamente proporzionale al quadrato del tempo impiegato a scendere.
Galileo compie questi esperimenti utilizzando piani con diverse inclinazioni, e tutte le volte ottiene misure che confermano la sua
ipotesi.
Il metodo sperimentale: … c’era una volta…
Misurare il tempo senza orologi
I risultati dell’esperimento con il piano inclinato sono eccezionali nonostante la semplicità dell’apparato
sperimentale. Bisogna sottolineare il fatto che all’epoca di Galileo non esistevano orologi né cronometri e che i metodi disponibili non avevano la precisione necessaria a calcolare il tempo di caduta della sfera.
Per risolvere questo problema, Galileo progetta e realizza un orologio ad acqua, che presenta in questo modo nei suoi Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze: “Quanto poi alla misura del tempo, si teneva una gran secchia piena d’acqua, attaccata in alto, la quale per un sottil cannellino, saldatogli nel fondo, versava un sottil filo d’acqua, che s’andava ricevendo con un piccol bicchiero per tutto ‘l tempo che la palla scendeva nel canale e nelle sue parti: le particelle poi dell’acqua, in tal guisa raccolte, s’andavano di volta in volta con esattissima bilancia pesando, dandoci le differenze e proporzioni de i pesi loro le differenze e
proporzioni de i tempi; e questo con tal giustezza, che, come ho detto, tali operazioni, molte e molte volte replicate, già mai non differivano d’un notabil momento”.
Con questo strumento Galileo riesce a rivelare che lo spazio percorso dalla sfera di metallo non è
proporzionale al tempo impiegato a percorrerlo, come avrebbe detto Aristotele, ma al quadrato del tempo. Gli strumenti di misura di Galileo ricostruiti fedelmente ai giorni nostri hanno mostrato che Galileo aveva potuto ottenere l’accuratezza che dichiara.
Poiché Galileo capisce che lo stesso tipo di moto caratterizza la sfera sul piano inclinato e in caduta libera, con il suo strumento riesce a “vedere a rallentatore” il moto accelerato, studiandolo in una situazione in cui
l’accelerazione è inferiore a quella di gravità.
